CN114498291A - 一种单束输出皮秒脉冲和连续复合激光的半导体激光器 - Google Patents

一种单束输出皮秒脉冲和连续复合激光的半导体激光器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种单束输出皮秒脉冲和连续复合激光的半导体激光器；所述半导体激光器包括激光器外延结构以及设置在激光器外延结构上的皮秒脉冲激光种子源、连续激光种子源、Y字型波导合束结构和锥形功率放大器；Y字型波导合束结构具有第一后端、第二后端以及一个前端；皮秒脉冲激光种子源包括依次设置的脊型脉冲增益部分、脊型可饱和吸收体和第一光栅，第一光栅对准第一后端；连续激光种子源包括依次设置的脊型连续增益部分和第二光栅，第二光栅对准第二后端；锥形功率放大器的较小端对准前端。本发明解决了激光器内部同时产生脉冲和连续两类激光的问题，具有单光束输出皮秒脉冲和连续复合大功率激光的良好结果。

Description

一种单束输出皮秒脉冲和连续复合激光的半导体激光器
技术领域
本发明涉及导体激光器技术领域，具体而言，涉及一种单束输出皮秒脉冲和连续复合激光的半导体激光器。
背景技术
工业用半导体激光在材料加工、汽车制造和国防领域具有重要应用，如焊接、打孔、切割等。
常用的工业用半导体激光器有两类波段：砷化镓(GaAs)基红外激光器(9xxnm～1060nm波段)常用于非金属材料加工；氮化镓(GaN)基蓝光激光(主波长450nm)常用于金属材料(铜和金等)加工，这是由于金属材料对蓝光激光的吸收率远高于红外激光。
激光器的时域特征是指激光输出可以分为连续或者脉冲形式。连续激光以多模连续半导体、光纤激光器为代表，它的工作原理是在激光器产生连续输出高能量激光与材料的光热效应，蒸发、烧蚀材料。具有光电转换率高、加工速度快等特点。
超短脉冲激光(又称超快激光，一般指皮秒ps和飞秒fs量级的激光)，其具有超高的峰值能量密度，是激光烧蚀(去除材料)的另一种有效机制，可用于激光切割、钻孔等。最常见产生皮秒脉冲的方法是调Q半导体激光器，它的原理是基于可饱和吸收体的自脉冲激光，激光腔内损耗是被调制的，因此这类激光器结构上必须至少由两个部分组成：一个是增益部分，另一个是充当饱和吸收体的部分。这种方法可以覆盖400nm～1100nm的波长范围：日本SONY公司报道了GaN基波长406nm，峰值功率20W、脉宽15.5ps、频率0.84GHz的脉冲功率激光器(Appl.Phys.Express 3，122103，2010)；德国Ferdinand-Braun研究所报道了GaAs基波长920nm，脉冲峰值功率高达250W(13μJ)的巴条激光器(IEEE High Power Diode Lasersand Systems Conference，2015)；Ferdinand-Braun研究所还报道了GaAs基1064nm波长的脉宽10ps，重复频率达13GHz脉冲激光器(The European Conference on Lasers andElectro-Optics,2013)。
激光与物质相互作用包括加热、表面改性、熔化、气化、等离子体等多种效应，通常一次照射过程中几种效应会共同体现，相互作用，并且与激光时域特征、功率等相关，影响激光作用效果。美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)研究人员证实对于超短脉冲必须有激波加热才能产生微米深的熔体，当用激波加热创造出这种深熔体之后，需要空化机制来移除它。(Journal of Applied Physics,125,085103，2019)。因此对激光材料处理的某些情况而言，一束同时包含超短脉冲和连续激光波的复合光源会有更好的烧蚀作用效果，可以在工艺中实现单一时域激光光源无法达到的性能(第二十四届全国激光学术会议，2020)。
现有可以实现的两类激光复合的技术包括：
1、双光束空间拼接形式。激光通过这个光路系统聚焦成非常小、具有极高能量密度的点，通过这种加工的方式与材料发生反应、进行加工。将连续激光及脉冲激光复合在一起，使两束激光的轴线在空间上重合。很明显这种激光器需要用到两个光源，且需要使用较复杂的聚焦光路系统。
2、可编程的时域拼接形式。一般是光纤/板条激光器结合的，这种时域拼接的方式依靠程序控制激光器的输出特性，优点是可以在纳秒到连续范围内实现脉冲宽度、幅值、间隔等时域特征编程调制。缺点是体积较大，且严格来讲同一时间只输出连续或脉冲的其中一种激光，只是切换时间极短，可视为准同时。
发明内容
本发明旨在提供一种单束输出皮秒脉冲和连续复合激光的半导体激光器，以解决上述存在的问题。
本发明提供的一种单束输出皮秒脉冲和连续复合激光的半导体激光器，包括激光器外延结构以及设置在激光器外延结构上的皮秒脉冲激光种子源、连续激光种子源、Y字型波导合束结构和锥形功率放大器；
所述激光器外延结构包括衬底、以及衬底上方由下至上依次设置的下限制层、下波导层、量子阱层、上波导层、上限制层和上接触层；
所述Y字型波导合束结构具有第一后端、第二后端以及一个前端；所述皮秒脉冲激光种子源包括依次设置的脊型脉冲增益部分、脊型可饱和吸收体和第一光栅，所述第一光栅对准第一后端；所述连续激光种子源包括依次设置的脊型连续增益部分和第二光栅，所述第二光栅对准第二后端；所述锥形功率放大器的较小端对准前端；
所述半导体激光器在所述脊型脉冲增益部分和脊型连续增益部分的一端的侧面形成后腔面；所述半导体激光器在所述锥形功率放大器的较大端的侧面形成前腔面；所述脊型脉冲增益部分、脊型可饱和吸收体、脊型连续增益部分、Y字型波导合束结构和锥形功率放大器上具有P面电极；所述激光器外延结构下方具有N面电极。
在一些实施例中，所述脊型脉冲增益部分和脊型连续增益部分的宽度为2μm～7μm，长度为0.2mm～1mm；所述脊型可饱和吸收体的宽度为2μm～7μm，长度为0.1mm～0.5mm。
在一些实施例中，所述脊型脉冲增益部分与脊型可饱和吸收体之间的间距为10～20μm。
在一些实施例中，所述Y字型波导合束结构为弧形缓变形状，宽度为2μm～7μm，长度为0.2mm～1mm。
在一些实施例中，所述锥形功率放大器的锥角度数为4°～7°，长度为1mm～5mm。
在一些实施例中，所述第一光栅和第二光栅采用表面分布式布拉格反射器结构，反射率为1～50％。
在一些实施例中，所述后腔面镀有高反膜，所述高反膜对激光波长反射率为0.01％～1％；所述前腔面镀有增透膜，所述增透膜对激光波长反射率为90％～100％。
本发明还提供一种单束输出皮秒脉冲和连续复合激光的半导体激光器的制作方法，包括如下步骤：
S1，制作激光器外延结构：在衬底在由下至上外延生长出下限制层、下波导层、量子阱层、上波导层、上限制层和上接触层；
S2，在激光器外延结构上进行第一次光刻和蚀刻，制作第一光栅和第二光栅；
S3，在激光器外延结构上进行第二次光刻和蚀刻，制作脊型脉冲增益部分、脊型可饱和吸收体、脊型连续增益部分和Y字型波导合束结构；
S4，在激光器外延结构上进行第三次光刻和蚀刻，制作锥形功率放大器；
S5，在激光器外延结构表面制作绝缘膜层；
S6，在激光器外延结构上的绝缘膜层进行第四次光刻光刻和蚀刻，在脊型脉冲增益部分、脊型可饱和吸收体、脊型连续增益部分、Y字型波导合束结构和锥形功率放大器的上表面形成电极注入窗口，并在电极注入窗口制作P面电极；
S7，衬底下表面制作N面电极；
S8，将经过步骤S1～S7得到的结构解理成半导体激光器，并在半导体激光器的前腔面镀增透膜，在半导体激光器的后腔面镀高反膜。
在一些实施例中，在进行第一次光刻和蚀刻，第二次光刻和蚀刻、第三次光刻和蚀刻时，蚀刻深度介于上波导层与上限制层范围内。作为优选，蚀刻深度在上波导层与上限制层交接处附近。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明中皮秒脉冲激光种子源是基于可饱和吸收体的自脉冲结构。第一光栅和第二光栅作为前反射器的存在，与后腔面分别组成了脉冲激光种子源谐振腔和连续激光种子源谐振腔，可以分别工作在皮秒脉冲和连续状态，解决了激光器内部同时产生脉冲和连续两类激光的问题，经Y字型波导合束结构传输到锥形功率放大器，锥形功率放大器上施加连续电流时起到同时放大脉冲和连续两类激光的作用，锥形放大器前腔单光束输出脉冲和连续的复合激光。因此在产生皮秒脉冲和连续激光的同时，也实现了激光的功率放大，从而达到了单光束输出皮秒脉冲和连续复合大功率激光的良好结果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例的单束输出皮秒脉冲和连续复合激光的半导体激光器的俯视图。
图2为本发明实施例的单束输出皮秒脉冲和连续复合激光的半导体激光器的激光器外延结构的正视图。
图3为本发明实施例的单束输出皮秒脉冲和连续复合激光的半导体激光器的立体结构图。
图标：1-皮秒脉冲激光种子源、2-连续激光种子源、3-Y字型波导合束结构、4-锥形功率放大器、5-脊型脉冲增益部分、6-脊型可饱和吸收体、7-第一光栅、8-后腔面、9-脊型脉冲增益部分上的P面电极、10-脊型可饱和吸收体上的P面电极、11-N面电极、12-脊型连续增益部分、13-第二光栅、14、脊型连续增益部分上的P面电极、15-前腔面、16-衬底、17-下限制层、18-下波导层、19-量子阱层、20-上波导层、21-上限制层、22-上接触层、23-Y字型波导合束结构上的P面电极、24-锥形功率放大器上的P面电极、25-绝缘膜层。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1、图2、图3所示，本实施例提出一种单束输出皮秒脉冲和连续复合激光的半导体激光器，包括激光器外延结构以及设置在激光器外延结构上的皮秒脉冲激光种子源1、连续激光种子源2、Y字型波导合束结构3和锥形功率放大器4；
所述激光器外延结构包括衬底16、以及衬底16上方由下至上依次设置的下限制层17、下波导层18、量子阱层19、上波导层20、上限制层21和上接触层22；
所述Y字型波导合束结构3具有第一后端、第二后端以及一个前端；所述皮秒脉冲激光种子源1包括依次设置的脊型脉冲增益部分5、脊型可饱和吸收体6和第一光栅7，所述第一光栅7对准第一后端；所述连续激光种子源2包括依次设置的脊型连续增益部分12和第二光栅13，所述第二光栅13对准第二后端；所述锥形功率放大器4的较小端对准前端；
所述半导体激光器在所述脊型脉冲增益部分5和脊型连续增益部分12的一端的侧面形成后腔面8；所述半导体激光器在所述锥形功率放大器4的较大端的侧面形成前腔面15；所述脊型脉冲增益部分5、脊型可饱和吸收体6、脊型连续增益部分12、Y字型波导合束结构3和锥形功率放大器4上具有P面电极；所述激光器外延结构下方具有N面电极11。
其工作原理为：皮秒脉冲激光种子源1是基于可饱和吸收体的自脉冲结构。第一光栅7和第二光栅13作为前反射器的存在，与后腔面8分别组成了脉冲激光种子源谐振腔和连续激光种子源2谐振腔，可以分别工作在皮秒脉冲和连续状态，经Y字型波导合束结构3传输到锥形功率放大器4，锥形功率放大器4上施加连续电流时同时单向放大脉冲和连续两类激光，前腔单光束输出皮秒脉冲和连续的复合激光。
作为本实施例的优选方案，所述脊型脉冲增益部分5和脊型连续增益部分12的宽度为2μm～7μm，长度为0.2mm～1mm；所述脊型可饱和吸收体6的宽度为2μm～7μm，长度为0.1mm～0.5mm；所述脊型脉冲增益部分5与脊型可饱和吸收体6之间的间距为10～20μm；所述Y字型波导合束结构3为弧形缓变形状，宽度为2μm～7μm，长度为0.2mm～1mm；所述锥形功率放大器4的锥角度数为4°～7°，长度为1mm～5mm。
作为本实施例的优选方案，所述第一光栅7和第二光栅13采用表面分布式布拉格反射器(DBR)结构，反射率为1～50％。
作为本实施例的优选方案，所述后腔面8镀有高反膜，所述高反膜对激光波长反射率为0.01％～1％；所述前腔面15镀有增透膜，所述增透膜对激光波长反射率为90％～100％。
实施例2
本实施例提出一种制作实施例1所述的单束输出皮秒脉冲和连续复合激光的半导体激光器的制作方法，包括如下步骤：
S1，制作激光器外延结构：在衬底16在由下至上外延生长出下限制层17、下波导层18、量子阱层19、上波导层20、上限制层21和上接触层22；所述激光器外延结构的材料可以选用氮化镓基材料或砷化镓基材料；所述氮化镓基材料如GaN/AlGaN/InGaN等，所述砷化镓基材料如GaAs/AlGaAs/InGaAs等；
S2，在激光器外延结构上进行第一次光刻和蚀刻，制作第一光栅7和第二光栅13；可选光刻方法为电子束光刻或步进光刻，可选蚀刻方法为干法刻蚀，蚀刻深度介于上波导层20与上限制层21范围内，以蚀刻深度在上波导层20与上限制层21交接处附近为最佳，但最大刻蚀深度控制为不超过量子阱层19上方。
S3，在激光器外延结构上进行第二次光刻和蚀刻，制作脊型脉冲增益部分5、脊型可饱和吸收体6、脊型连续增益部分12和Y字型波导合束结构3；可选光刻方法为接触式光刻或步进光刻，可选蚀刻方法为干法刻蚀，蚀刻深度介于上波导层20与上限制层21范围内，以蚀刻深度在上波导层20与上限制层21交接处附近为最佳，但最大刻蚀深度控制为不超过量子阱层19上方。
S4，在激光器外延结构上进行第三次光刻和蚀刻，制作锥形功率放大器4；可选光刻方法为接触式光刻或步进光刻，可选蚀刻方法为干法刻蚀或湿法刻蚀，蚀刻深度介于上波导层20与上限制层21范围内，以蚀刻深度在上波导层20与上限制层21交接处附近为最佳，但最大刻蚀深度控制为不超过上限制层21下方。
S5，采用SiO2或Si3N4并通过等离子化学气相沉积法，在激光器外延结构表面制作绝缘膜层25；
S6，在激光器外延结构上的绝缘膜层25进行第四次光刻光刻和蚀刻，在脊型脉冲增益部分5、脊型可饱和吸收体6、脊型连续增益部分12、Y字型波导合束结构3和锥形功率放大器4的上表面形成电极注入窗口，并在电极注入窗口制作P面电极(9、10、14、23、24)；P面电极材料可以选用Ti/Pt/Au，制作P面电极的方法包括但不限于电子束蒸发镀膜或磁控溅射镀膜；
S7，衬底16下表面制作N面电极11；在制作N面电极11前还可以先对衬底16下表面进行减薄和抛光处理。
S8，将经过步骤S1～S7得到的结构解理成半导体激光器，可以是单管或bar条式半导体激光器。然后在半导体激光器的前腔面15镀增透膜，对激光波长反射率在0.01％～1％；在半导体激光器的后腔面8镀高反膜，对激光波长反射率值在90％～100％。
制作好的半导体激光器可以正装焊接到热沉材料上，并压焊电极引线。如图3所示，在半导体激光器工作时，在脊型可饱和吸收体6上的P面电极10施加负电压-V，在脊型脉冲增益部分5、脊型连续增益部分12、Y字型波导合束结构3和锥形功率放大器4上的P面电极(9、14、23、24)施加正电压+V，在衬底16下下表面的N面电极11接地。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种单束输出皮秒脉冲和连续复合激光的半导体激光器，其特征在于，包括激光器外延结构以及设置在激光器外延结构上的皮秒脉冲激光种子源(1)、连续激光种子源(2)、Y字型波导合束结构(3)和锥形功率放大器(4)；
所述激光器外延结构包括衬底(16)、以及衬底(16)上方由下至上依次设置的下限制层(17)、下波导层(18)、量子阱层(19)、上波导层(20)、上限制层(21)和上接触层(22)；
所述Y字型波导合束结构(3)具有第一后端、第二后端以及一个前端；所述皮秒脉冲激光种子源(1)包括依次设置的脊型脉冲增益部分(5)、脊型可饱和吸收体(6)和第一光栅(7)，所述第一光栅(7)对准第一后端；所述连续激光种子源(2)包括依次设置的脊型连续增益部分(12)和第二光栅(13)，所述第二光栅(13)对准第二后端；所述锥形功率放大器(4)的较小端对准前端；
所述半导体激光器在所述脊型脉冲增益部分(5)和脊型连续增益部分(12)的一端的侧面形成后腔面(8)；所述半导体激光器在所述锥形功率放大器(4)的较大端的侧面形成前腔面(15)；所述脊型脉冲增益部分(5)、脊型可饱和吸收体(6)、脊型连续增益部分(12)、Y字型波导合束结构(3)和锥形功率放大器(4)上具有P面电极(9、10、14、23、24)；所述激光器外延结构下方具有N面电极(11)。
2.根据权利要求1所述的单束输出皮秒脉冲和连续复合激光的半导体激光器，其特征在于，所述脊型脉冲增益部分(5)和脊型连续增益部分(12)的宽度为2μm～7μm，长度为0.2mm～1mm；所述脊型可饱和吸收体(6)的宽度为2μm～7μm，长度为0.1mm～0.5mm。
3.根据权利要求2所述的单束输出皮秒脉冲和连续复合激光的半导体激光器，其特征在于，所述脊型脉冲增益部分(5)与脊型可饱和吸收体(6)之间的间距为10～20μm。
4.根据权利要求3所述的单束输出皮秒脉冲和连续复合激光的半导体激光器，其特征在于，所述Y字型波导合束结构(3)为弧形缓变形状，宽度为2μm～7μm，长度为0.2mm～1mm。
5.根据权利要求4所述的单束输出皮秒脉冲和连续复合激光的半导体激光器，其特征在于，所述锥形功率放大器(4)的锥角度数为4°～7°，长度为1mm～5mm。
6.根据权利要求1所述的单束输出皮秒脉冲和连续复合激光的半导体激光器，其特征在于，所述第一光栅(7)和第二光栅(13)采用表面分布式布拉格反射器结构，反射率为1～50％。
7.根据权利要求1所述的单束输出皮秒脉冲和连续复合激光的半导体激光器，其特征在于，所述后腔面(8)镀有高反膜，所述高反膜对激光波长反射率为0.01％～1％；所述前腔面(15)镀有增透膜，所述增透膜对激光波长反射率为90％～100％。
8.一种单束输出皮秒脉冲和连续复合激光的半导体激光器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，制作激光器外延结构：在衬底(16)在由下至上外延生长出下限制层(17)、下波导层(18)、量子阱层(19)、上波导层(20)、上限制层(21)和上接触层(22)；
S2，在激光器外延结构上进行第一次光刻和蚀刻，制作第一光栅(7)和第二光栅(13)；
S3，在激光器外延结构上进行第二次光刻和蚀刻，制作脊型脉冲增益部分(5)、脊型可饱和吸收体(6)、脊型连续增益部分(12)和Y字型波导合束结构(3)；
S4，在激光器外延结构上进行第三次光刻和蚀刻，制作锥形功率放大器(4)；
S5，在激光器外延结构表面制作绝缘膜层(25)；
S6，在激光器外延结构上的绝缘膜层(25)进行第四次光刻光刻和蚀刻，在脊型脉冲增益部分(5)、脊型可饱和吸收体(6)、脊型连续增益部分(12)、Y字型波导合束结构(3)和锥形功率放大器(4)的上表面形成电极注入窗口，并在电极注入窗口制作P面(9、10、14、23、24)电极；
S7，衬底(16)下表面制作N面电极(11)；
S8，将经过步骤S1～S7得到的结构解理成半导体激光器，并在半导体激光器的前腔面(15)镀增透膜，在半导体激光器的后腔面(8)镀高反膜。
9.根据权利要求8所述的单束输出皮秒脉冲和连续复合激光的半导体激光器的制作方法，其特征在于，在进行第一次光刻和蚀刻，第二次光刻和蚀刻、第三次光刻和蚀刻时，蚀刻深度介于上波导层(20)与上限制层(21)范围内。
10.根据权利要求9所述的单束输出皮秒脉冲和连续复合激光的半导体激光器，其特征在于，蚀刻深度在上波导层(20)与上限制层(21)交接处附近。
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